Схемы включения и компенсации термопар
Как известно, термопара содержит два спая, поэтому для правильного и точного измерения температуры на одном (первом) из спаев, необходимо поддерживать другой (второй) спай при известной постоянной температуре, чтобы измеренная ЭДС оказывалась явной функцией температуры только первого спая — главного рабочего спая.
Так, с целью поддержания в термоизмерительном контуре условий, при которых паразитное влияние ЭДС второго («холодного спая») было бы исключено, необходимо как-то компенсировать в любой рабочий момент времени напряжение на нем. Как это сделать? Как привести схему к такому состоянию, чтобы измеряемое напряжение термопары менялось бы только в зависимости от изменений температуры первого спая, независимо от текущей температуры второго?
С целью достижения правильных условий, можно прибегнуть к незамысловатой хитрости: поместить второй спай (места присоединения проводов первого спая с измерительным прибором) в емкость с ледяной водой — в заполненную водой ванночку, в которой еще плавает лед. Таким образом получим на втором спае фактически постоянную температуру таяния льда.
После чего останется, отслеживая результирующее напряжение на термопаре, вычислять температуру первого (рабочего) спая, ибо второй спай будет находится в неизменном состоянии, напряжение на нем будет константой. Цель в итоге будет достигнута, влияние «холодного спая» окажется скомпенсировано. Но если так делать, то получится громоздко и не удобно.
Чаще термопары применяются все же в мобильных портативных устройствах, в переносных лабораторных приборах, поэтому нежен другой вариант, ванночка с ледяной водой разумеется нам не подходит.
И такой иной способ есть — метод компенсации напряжения от изменяющейся температуры «холодного спая»: присоединить последовательно к измерительному контуру источник дополнительного напряжения, ЭДС которого будет иметь противоположное направление и по величине будет всегда точно равна ЭДС «холодного спая».
В случае, если ЭДС «холодного спая» непрерывно отслеживается путем измерения его температуры иным способом нежели термопара, — тогда равную компенсирующую ЭДС можно непрерывно тут же прикладывать, сводя суммарное напряжение паразитного участка цепи к нулю.
Но чем же можно непрерывно измерять температуру «холодного спая», чтобы получать непрерывные значения напряжений для автоматической компенсации?
Для этого подойдет термистор или термометр сопротивления, соединенный с типовой электроникой, которая и будет автоматически формировать компенсирующее напряжение необходимой величины. И хотя «холодный спай» не обязательно может быть буквально холодным, его температура, как правило, не такая уж экстремальная, какая может быть у рабочего спая, поэтому обычно подходит даже термистор.
Доступны специальные электронные компенсирующие модули «температуры таяния льда» для термопар, задача которых в том и состоит, чтобы подавать точное противоположное напряжение в измерительную цепь.
Значение компенсирующего напряжения от такого модуля поддерживается на таком значении, чтобы точно компенсировать температуру точек присоединения проводников термопары к модулю.
Температура точек присоединения (на терминале) измеряется термистором или термометром сопротивления, и точно необходимое напряжение автоматически прикладывается последовательно в цепь.
Неискушенному читателю может показаться, что слишком много нагромождений ради просто точного использования термопары. Может быть целесообразнее, да и проще, сразу пользоваться термометром сопротивления или тем же термистором? Нет, не проще и не целесообразнее.
Термисторы и термометры сопротивления не так механически прочны как термопары, да и безопасный рабочий температурный диапазон у них не велик. Дело в том, что термопары обладают рядом преимуществ, два из которых основные: очень широкий температурный диапазон (от −250 °C до +2500 °C) и высокое быстродействие, которое недостижимо на сегодняшний день ни термисторами, ни термометрами сопротивления, ни датчиками иных типов аналогичной ценовой категории.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ОПОРНОГО СПАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Летников Д.О., Кудинов Д.В.
В статье рассматривается проблема компенсации опорного (“холодного”) спая термоэлектрического преобразователя . Проведен анализ различных методов компенсации, для использования в микропроцессорном блоке термоэлектрического термометра. Главным критерием для выбора оптимального способа является точность измерений разрабатываемого устройства.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Летников Д.О., Кудинов Д.В.
Популярные контактные технологии термометрии
Модули технологических датчиков для распределенных систем сбора информации. Сравнение датчиков Analog Devices и Texas Instruments
Датчики для исследования теплового состояния машин, эксплуатируемых в условиях крайнего Севера и Арктики
Источники погрешностей и алгоритмические пути повышения точности измерения температуры датчиками температур
Популярные контактные технологии термометрии
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ОПОРНОГО СПАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА»
Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
Д.О. Летников, Д.В. Кудинов
АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ОПОРНОГО СПАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА
В статье рассматривается проблема компенсации опорного («холодного») спая термоэлектрического преобразователя. Проведен анализ различных методов компенсации, для использования в микропроцессорном блоке термоэлектрического термометра. Главным критерием для выбора оптимального способа является точность измерений разрабатываемого устройства.
Ключевые слова: Термоэлектрический преобразователь, термопара, холодный спай, компенсация холодного спая, опорный спай, измерение температуры, прецизионные термометры.
На сегодняшний день температура является одной из самых измеряемых физических величин. Исходя из условий эксплуатации и выдвигаемых требований к разрабатываемому измерительному средству, разработчик должен выбрать наиболее оптимальный способ для решения поставленной задачи (в данном случае — измерении температуры). Одним из наиболее распространённых способов измерения температуры является использование термоэлектрического преобразователя или термопары. Термопары обладают достаточно широким диапазоном измерения (от -200 до 2500 °С), а различные типы термопар позволяют выбрать подходящую характеристику преобразования с оптимальной нелинейностью в нужном диапазоне. Также стоит отметить быстрый отклик к изменению температуры измеряемой среды и надежность термопар. Одним из главных недостатков данного типа преобразователей в сравнении с другими термометрами является точность. Терморезистивные преобразователи, термисторы и полупроводниковые датчики температуры обеспечивают меньшую погрешность измерения прибора. Однако в задачах с достаточно широким диапазоном измеряемой температуры, где необходимо обеспечить относительно высокую точность, использование термопар вполне оправдано. Получение значения погрешности измерения меньше чем 1-2 °С проблематично, но этого можно добиться, так как основным источником погрешности, помимо внутренних неточностей термопар, обусловленных их металлургическими свойствами, является погрешность опорного спая. То есть термопары являются настолько точными, насколько точно может быть измерена температура опорного спая для дальнейшей компенсации.
© Летников Д.О., Кудинов Д.В., 2017.
В данной статье будут проанализированы различные способы компенсации «холодного» спая, и предложен метод для обеспечения максимальной точности измерения.
В общем, суть компенсации «холодного» спая состоит в учете температуры на опорном спае при преобразовании температуры окружающей среды. Для этого производится измерение температуры опорного спая, для дальнейшего преобразования в напряжение. Затем необходимо учесть это напряжение при расчете непосредственно измеряемой температуры. Самым простым методом преобразования является использование таблиц преобразования (в России — ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ «Термопары, номинальные статические характеристики преобразования»). Поиск данных в этих таблицах программным путем требует определенного объема памяти для их хранения, но это быстрое и точное решение в случаях измерения с большой частотой. Другим методом преобразования напряжения в данные является линейная аппроксимация с помощью полиномов. Данный метод особенно популярен, так как необходима память только для хранения заранее известных коэффициентов полинома. Недостатком данного метода является время, затраченное на расчет полинома высокой степени. Время на расчет растет с увеличением степени полинома, что обычно происходит при увеличении диапазона измерений прибора.
Для измерения температуры холодного спая могут быть использованы различные датчики и устройства, такие как: термистор, резистивный температурный преобразователь (РТП), интегральный датчик температуры (ИДТ) и др. Исходя из требований к термометру, выбирают наиболее оптимальный датчик для измерений температуры холодного спая. Критериями выбора являются: точность, диапазон измерения температур, линейность выходных характеристик и стоимость. В качестве примера рассмотрим способ компенсации с использованием ИДТ.
Метод с использованием ИДТ
На схеме, показанной на рисунке 1, используется ИДТ, который измеряет температуру холодного спая. Микросхема располагается в непосредственной близости от опорного спая.
Так как сигнал с выхода термопары достаточно мал и достигает несколько десятков милливольт, его необходимо усилить. Для этого используется операционный усилитель (ОУ) OP03CT (Texas Instruments). Он усиливает входной сигнал для попадания в диапазон преобразования АЦП. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует сигнал с термопары в выходной цифровой сигнал. В качестве АЦП выбрана микросхема AD7793 (Analog Devices). Это трехканальный, мало потребляющий, 24 разрядный сигма-дельта АЦП со встроенными источниками опорного напряжения и источником тока. Интегральный датчик температуры (MAX6610), помещенный в непосредственной близости от соединителей термопары, измеряет температуру около холодного спая. В этом случае допускается, что температура микросхемы будет близка к температуре холодного спая. Выходное напряжение с датчика на холодном спае подается на второй канал АЦП.
Рис. 1. Использование ИДТ для компенсации опорного спая
Полученные значения температуры необходимо перевести в соответствующие им термоэлектрические напряжения. Для этого используйте таблицы перевода температуры (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ «Термопары, номинальные статические характеристики преобразования»). Далее необходимо вычесть преоб-
разованное значение температуры холодного спая из значения рабочего спая. Далее преобразуем полученное значение в температуру согласно таблицам преобразования. Результат и будет абсолютным значением температуры горячего спая.
Точность измерения при использовании данного метода в основном зависит от точности ИДТ и температуры холодного спая. Так как использование данного метода ограниченно рабочим диапазоном самого ИДТ, выберем другой способ компенсации.
Метод с использованием платинового терморезистивного преобразователя При использовании данного метода, необходимо удовлетворить некоторые условия. Соединения холодного спая должны находиться при одинаковой температуре. Для поддержания одинаковой температуры на концах пары проводников желательно расположить выводы как можно ближе друг к другу, и не допускать расположения в непосредственной близости от источника тепла на плате. Также рекомендуется при создании печатной платы предусмотреть проводящие полигоны с двух сторон платы, соединенные переходными отверстиями. Получившийся простейший изотермический блок должен иметь хорошую теплопроводность и большую теплоемкость, чтобы локальные отличия в температурах были минимальными. Удостоверьтесь, что изотермический блок не подвержен влиянию паразитных источников тепла, таких как стабилизаторы напряжения и т.д. Желательно предусмотреть крепление к плате измеряемого датчика.
Резистивные датчики температуры обладают достаточно точными, стабильными и линейными характеристиками. Главным их недостатком является высокая стоимость и необходимость во внешнем источнике тока. Рассмотрим пример использования данного типа датчиков. В качестве чувствительного элемента, который будет детектировать изменения температуры, был выбран прецизионный платиновый терморезистор Honeywell 702. Он подключен к каналу АЦП с помощью четырех проводной схемы включения, представленной на рисунке 2.
Рис. 2. Использование платинового терморезистора
Под воздействием температуры на холодном спае, терморезистор меняет свое сопротивление, следственно меняя напряжение, поступающее на канал АЦП. АЦП преобразует это напряжение в двоичный код и посылает его микроконтроллеру. Далее МК учитывает код полученный с термопары (первый канал АЦП) вместе с кодом, полученным с терморезистора (второй канал АЦП). В качестве АЦП выбрана микросхема А07711. Это 24 разрядный АЦП с сигма-дельта модуляцией. Устройство может принимать малые входные сигналы и преобразовывать их в двоичный код с достаточно высокой точностью. Также данная АЦП имеет встроенные источники тока.
Принципиальным отличием данного метода от предыдущего является использование терморезистора в качестве датчика на опорном спае.
Приведем рекомендации по монтажу чувствительного элемента, предоставив часть топологии печатной платы (рисунок 3). Как видно из рисунка, датчик расположен в непосредственной близости от кон-
тактов опорного спая. Также предусмотрен крепеж датчика для лучшего контакта с изотермическим полигоном. Полигоны на верхнем и нижнем слоях печатной платы соединяются переходными отверстиями. При такой трассировке обеспечивается максимальный контакт между датчиком и полигоном, что обеспечивает одинаковую температуру на холодном спае и на датчике.
Данная схема позволяет добиться высокой точности благодаря использованию высокоточного ре-зистивного датчика в паре с 24 разрядным сигма-дельта АЦП АЭ7711. Для уменьшения влияния проводников используется четырехпроводная схема включения терморезистора.
Рис. 3. Топология участка монтажа резистивного датчика
В заключении отметим, что каждый из методов компенсации обладает своими достоинствами и недостатками. Так, термистор обладает более широким рабочим диапазоном измерения по сравнению с ИДТ, однако ИДТ используется чаще из-за линейности его характеристик, а корректировка нелинейности у термисторов требует определенного количества ресурсов микроконтроллера. Для устройств с высокими требованиями по точности лучшим выбором будет откалиброванный платиновый РТП с его широким температурным диапазоном. Главный недостаток данного метода — его дороговизна.
Использование термопар позволяют обеспечить достаточно широкий диапазон измерений, однако для обеспечения высокой точности необходима сложная обработка сигнала. В следствии чего разработчики часто отказываются от использования данного типа термометров, из-за больших временных затрат на разработку конечного устройства. Статья предлагает использование универсального способа, который обеспечивает высочайшую точность измерений.
1. Геращенко, О. А. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. — К.: Наукова думка, 1965, — 304 с.
2. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — 3-е изд., перераб. — Москва: «Энергия», 1978. —704 с.
ЛЕТНИКОВ ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ — магистрант, Московский технологический университет, Россия.
КУДИНОВ ДАНИИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ — магистрант, Московский технологический университет, Россия.
ООО «СиБ Контролс»
Существует несколько методов, чтобы компенсировать в контуре измерения влияние напряжения «холодного» спая. Один из методов состоит в том, чтобы сделать температуру «холодного» спая постоянной. При этом любые изменения измеренного напряжения будут вызваны только изменением температуры в точке измерений. Для этого можно, например, поместить место соединения с проводами от измерительного прибора в ванночку со льдом и водой, придав тем самым «холодному» спаю постоянную температуру таяния льда:
Можно воспользоваться таблицей, которая составлена с учетом того, что «холодный» спай находится при постоянной температуре таяния льда. В этом случае по этой таблице можно по напряжению вольтметра сразу определить температуру «горячего» спая, т. е. температуру в искомой точке.
Однако фиксация «холодного» спая при температуре таяния льда является малопригодным для любого применения реального термометра на основе термопары вне лаборатории. Вместо этого нам необходимо найти другой путь для компенсации изменений температуры в месте расположения «холодного» спая, чтобы мы точно могли интерпретировать показания вольтметра, несмотря на изменения температуры в месте расположения этого спая.
Практический способ компенсировать напряжение «холодного» спая – это включение в контур дополнительной ЭДС, равной по величине напряжению «холодного» спая, но обратной полярности. Если эта дополнительная ЭДС непрерывно отслеживает напряжение «холодного» спая при изменении его температуры, то, естественно, влияние потенциала «холодного» спая полностью исключается:
Для того чтобы компенсирующее напряжение отслеживало температуру «холодного» спая, необходимо непрерывно измерять эту температуру, например, с помощью термистора или RTD. Далее электронное устройство непрерывно формирует соответствующее компенсирующее напряжение.
Напоминаем, что «холодный» спай – это всего лишь исторически сложившийся термин, на самом деле «холодный» спай может быть и теплее «горячего». Ничто не мешает использовать термопару для измерения любой температуры ниже температуры таяния льда.
Некоторые изготовители продают электронные модули температуры таяния льда для компенсации напряжения «холодного» спая. Модуль «температуры таяния льда» выполняет функцию Vrjc, показанную на предыдущей диаграмме. Он добавляет противодействующее напряжение для компенсации напряжения, произведенного «холодным» спаем, так, чтобы вольтметр «видел» только напряжение «горячего» спая. Это напряжение компенсации поддерживается в значении, соответствующем температуре терминала, на котором провода термопары соединяются с модулем температуры таяния льда. Температура терминала измеряется термистором или RTD:
На первый взгляд может показаться бессмысленным, строить столь сложные схемы измерения температуры для того, чтобы иметь возможность использовать термопару. Не проще ли было бы вместо этого просто применить термистор или RTD?
Ответ на этот очень хороший вопрос — термопары применяются потому, что они обладают определенными преимуществами перед другими типами датчиков температуры. Термопары являются чрезвычайно быстродействующими и имеют большие диапазоны измерения температуры, чем термисторы, RTD и другие сенсоры.
Однако, если применение не требует очень высокой прочности сенсора или больших диапазонов измерений, термисторы или RTD являются, возможно, лучшим выбором!
ООО «СиБ Контролс»
Наличие компенсации «холодного» спая в каждом приборе измерения температуры с помощью термопары приводит к интересному явлению. Если Вы замкнете накоротко входные клеммы такого прибора, он всегда будет регистрировать температуру окружающей среды, независимо от термопары. Это поведение можно проиллюстрировать на следующих примерах. На первой схеме показана нормальная эксплуатация системы измерения температуры, а на второй эта же система с закороченным входом. Здесь мы видим индикатор температуры, который получает текущий сигнал 4-20 мА от трансмиттера температуры, который, в свою очередь, получает милливольтовый сигнал от термопары типа «К», измеряющей температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта:
Внутренняя компенсация «холодного» спая передатчика дает компенсацию для температуры окружающей среды 68 градусов Фаренгейта. Если окружающая температура повышается или падает, компенсация автоматически приспосабливается к этим изменениям и индикатор по-прежнему показывает температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта.
Теперь, мы отсоединяем термопару от температурного трансмиттера и накоротко замыкаем вход тансмиттера:
С замкнутым входом трансмиттер «не видит» от термопары никакого напряжения вообще. Нет никакого ни «горячего» спая, ни «холодного» спая, только кусок обычного электрического провода, соединяющий входные клеммы. Это означает, что компенсация «холодного» спая в трансмиттере больше не выполняет полезную функцию. Однако, трансмиттер «не знает», что он больше не связан с термопарой, и механизм компенсации продолжает работать. Вспомните уравнение напряжения, связывающее напряжения «горячего» и «холодного» спаев и напряжения компенсации:
Отключение проволоки термопары и подключение перемычки к клеммам устраняет VJ1 и VJ2, оставляя только напряжение компенсации:
В результате индикатор показывает температуру только окружающей среды. Это явление используется для оперативного тестирования цепей от термопары до индикатора. Можно считать этот побочный эффект полезным при обслуживании. Но есть и другие эффекты, которые скорее мешают при обслуживании, чем помогают. Присутствие компенсации «холодного» спая становится довольно хлопотным, к примеру, если специалист пытается имитировать термопару с использованием милливольтового источника. Простая подача с источника напряжения соответствующего нужной температуре (по таблице) значения, не даст желаемого результата для любой температуры за исключением точки замерзания воды!
Предположим, например, что техник хочет имитировать термопару типа K при 300 градусов Фаренгейта, установив на милливольтовом источнике 6.094 милливольт (напряжение, соответствующее 300 градусов для термопар типа K согласно стандарту ITS-90). Подключение источника напряжения к прибору не приведет к реагированию прибора как на 300 градусов F:
Вместо этого, прибор регистрирует 339 градусов, потому что внутренняя компенсация спая по-прежнему активна, компенсируя «холодный» спай, которого уже нет. Выход милливольтового источника 6.094 mV получает добавку компенсирующего напряжения (внутри передатчика) 0.865 mV. В результате большее суммарное напряжение (6.959 mV) интерпретируется трансмиттером как температура 339 градусов. Единственным способом правильно использовать милливольтовый источник для имитации желаемой температуры является для техника учесть функцию компенсации трансмиттера, подав сигнал с учетом действия компенсации. Другими словами, вместо того, чтобы установить значение напряжения источника 6.094 mV, технику следует установить значение только 5.229 mV, передатчиком будут добавлены 0.865 mV и, в результате, получим суммарное напряжение 6.094 mV. И прибор покажет 300 градусов по Фаренгейту:
Конечно, современные калибраторы термопар предоставляют возможность прямого ввода температуры с автоматическим учетом компенсирующего напряжения трансмиттера, так что любую требуемую температуры можно легко имитировать (в любой температурной шкале – Цельсия, Кельвина, Фаренгейта):